Розділ 3. Фізичні методи дослідження в механіці

3.1. Засоби та методи вимірювання у фізиці та техніці

Без точного вимірювання (див. розділ 1) не було б ні сучасної техніки, ні науки. Без вимірювання э немислимим пізнання світу, не можливим вивчення властивостей сировини та матеріалів, і, відповідно, не можливим створення нових та вдосконалення відомих матеріалів та виробів.

Вимірювання може виконуватись за допомогою засобів вимірювання.

Засіб вимірювання є технічним засобом, який використовується при вимірюваннях і має нормовані метрологічні властивості.

До засобів вимірювання належать нижче вказані.

1. Міри є засобами вимірювання, призначеними для відтворення фізичної величини заданого розміру.

Наприклад, гиря є мірою маси.

Міри мажуть бути однозначними, тобто такими, які відтворюють фізичну величину одного розміру (наприклад, гиря, нормальний елемент) та багатозначними, які відтворюють однойменні величини різного розміру (наприклад, лінійка з міліметровими поділками, конденсатор змінної ємності).

Зазначимо, що дуже поширеними є набори (гирі) та магазини (резистори) мір.

2. Вимірювальні прилади є засобами вимірювання, призначеними для отримання сигналу з інформацією про вимірювання у формі, доступній для безпосереднього сприймання спостерігачем.

Вимірювальний прилад завдяки своїм структурним елементам має:

• принцип дії – фізичний принцип (закон, явище), покладений в основу його побудови.;

• вимірювальний механізм – головними його складовими є чутливий та перетворювальний елементи і відліковий пристрій.

Вимірювальні прилади поділяють:

• за ступенем автоматизації – на автоматичні та неавтоматичні;

• за формою вихідного сигналу – на аналогові (вихідним сигналом є відхилення або переміщення покажчика відносно шкали¹) та цифрові (покази приладу подано у цифровій формі);

• за групою методів вимірювання – на прилади порівняння або прямого перетворення (для них є характерною відсутність порівняння виходу з входом) та зрівноваження тощо.

Одним з видів вимірювальних приладів є вимірювальний прилад прямої дії – це вимірювальний прилад, в якому передбачено одне або кілька перетворень сигналу одержаної інформації в одному напрямі, тобто без застосування зворотного зв’язку. Наприклад, манометр, ртутно-скляний термометр, амперметр тощо.

3. Вимірювальні установки є сукупністю функціонально об’єднаних засобів вимірювання (мір, вимірювальних приладів, вимірювальних перетворювачів) та допоміжних пристроїв, що призначені для продукування інформації про вимірювану величину у формі, зручній для безпосереднього сприймання спостерігачем.

Залежно від природи вимірюваної фізичної величини, будови засобу вимірювання, потрібної точності, зручності і швидкості вимірювання застосовують різні методи вимірювання.

Метод вимірювання є сукупністю прийомів використання принципів і засобів вимірювання.

Розглянемо основні види методів вимірювання:

1. Метод безпосередньої оцінки є методом вимірювання, при якому значення величини визначають безпосередньо за відліковим пристроєм вимірювального приладу прямої дії.

Прикладом методу безпосереднього вимірювання є вимірювання тиску пружинним манометром, сили електричного струму амперметром, напруги – вольтметром тощо.

2. Метод порівняння з мірою є методом вимірювання, при якому вимірювану величину порівнюють з величиною, відтворюваною мірою.

Наприклад, вимірювання маси на важільних терезах при зрівноважуванні гирями.

3. Метод протиставлення є методом порівняння з мірою, при якому вимірювана величина і величина, відтворювана мірою, одночасно впливають на прилад порівняння, за допомогою якого встановлюється співвідношення між цими величинами.

Наприклад, вимірювання маси на рівноплечих терезах при розміщенні вимірюваної маси та гир, які її зрівноважують, на двох шальках терезів.

4. Диференціальний метод є методом порівняння з мірою, при якому на вимірювальний прилад впливає різниця вимірюваної та відомої величин, яка відтворюється мірою. Тобто цей метод характеризується вимірюванням різниці між вимірюваною величиною та величиною, значення якої є відомим, причому значення відомої величини має бути близьким до значення вимірюваної.

5. Нульовий метод є методом порівняння з мірою, в якій результуючий ефект впливу на прилад порівняння доводять до нуля.

Наприклад, вимірювання мас на важільних терезах.

В історії розвитку техніки точних вимірювань нульовий метод є одиним з найдавніших.

6. Метод заміщення є методом порівняння з мірою, при якому вимірювану величину заміщають відомою величиною, яка відтворюється мірою.

Наприклад, зважування з почерговим розміщенням вимірюваної маси на ту саму шальку терезів.

2.1.10. Метод збігів – метод порівняння з мірою, при якому різницю між вимірюваною величиною і величиною, яка відтворюється мірою, вимірюють, використовуючи збіг позначок шкал або періодичних сигналів.

Наприклад, вимірювання довжини штангенциркулем з ноніусом; вимірювання похибок годинників з секундним маятником за допомогою ритмічних сигналів (своєрідний „ноніус” часу). Метод збігів покладено в основу методів вимірювання, в яких використовуються явища биття та інтерференції, а також стробоскопічний ефект.